基于Pyrosim的高校学生宿舍火灾虚拟仿真

谭立云 聂国亮

摘 要：以我校某男生宿舍楼为研究对象，设置六个火灾场景，运用Pyrosim对研究对象进行火灾模拟。研究结果显示：发生在走廊的火灾，相比于发生在室内火灾，其烟气蔓延速度更快;开启起火房间窗户能将烟气排出，减慢烟气蔓延速度;消防设施能有效控制火势发展和烟气蔓延，能显著提高人员安全疏散的概率。

关键词：高校学生宿舍;火灾模拟;虚拟仿真;Pyrosim

中图分类号：X928

1 绪论

根据相关统计，在各种灾害中，火灾是发生频率最高的灾害之一。根据应急管理部消防救援局发布火灾接处警数据，2020年全国接到的火灾报警为25.2万起，这些火灾共造成1183人死亡，775人受伤，直接财产损失40.09亿元[1]。

随着高校招生人数的增多，学生宿舍楼的人员密度越来越大，学生宿舍楼的火灾安全隐患较多，我国发生了多起高校学生宿舍楼火灾。

我国高校宿舍楼一般人员密度大，大多数高校的宿舍为4人间或者6人间。并且由于宿舍内存在大量服饰、被褥、书籍等易燃物，一旦发生火灾，火势将会迅速发展并蔓延，可能造成巨大的人员伤亡或者财产损失。本文选取我校某宿男生宿舍楼作为研究对象，研究宿舍火灾发展和烟气的运动规律，为高校宿舍楼的消防管理和应急疏散提供科学的参考。

2 建筑火灾理论简介

建筑火灾的发展过程大致可以分为三个阶段：初期增长阶段、充分发展阶段和减弱熄灭阶段[2]。

初期增长阶段：在这个阶段，起火房间室内外的温差很大，起火点及其附近温度很高，其他区域温度较低，此时火灾的火势不稳且发展速度慢。此阶段持续时长受多种因素的影响，例如起火位置、可燃物性质和分布等。

充分发展阶段：当起火房间的温度达到一定值时，房间内聚集的大量可燃气体和未充分燃烧物突然起火，房间由局部燃烧转为全室性燃烧，这种现象称为轰燃，若此时人员还未从火场逃出，则很难幸存。

减弱熄灭阶段：在火灾充分发展阶段的后期，可燃物不断减少，火灾燃烧速度减慢，温度逐渐下降。当室内平均温度降到室内最高温度的80%时，火灾就进入了熄灭阶段。之后，房间温度下降明显，直到房间内可燃物完全被消耗，室内外温度一致，此时，火灾结束。

烟雾是由燃烧或热解作用产生的，弥散在空氣中，烟雾实际上是由空气中的微小固体颗粒、微小液滴和水蒸气组成。据统计，火灾中，因烟雾原因致死的人数占全部死亡人数的60%，烟雾是火灾中对人员安全威胁最大的因素。

3 Pyrosim简介

Pyrosim是由美国国家标准与技术研究院研发一款火灾动态仿真模拟的软件，常被用于模拟火灾发展和烟气运动。可以设置不同的燃烧反应、建筑物材料、表面材质和消防设施等火灾模拟的要素，而且提供了用户图形界面，用户使用更加方便，Pyrosim被广泛用于建筑防火设计、消防安全模拟等[3]。

利用Pyrosim进行火灾模拟的基本过程为：模型建立、运行求解和分析处理。这三个过程的基本步骤如下：

（1）模型建立：①新建Pyrosim程序文件;②定义反应和材料数据;③创建网格;④定义和创建物体表面属性;⑤创建实体构筑物;⑥创建通风口;⑦创建各种探测设备和消防灭火设备;⑧创建各种结果记录;⑨检查模型;⑩存储模型。

（2）运行求解：①设置模拟属性;②开始模拟。

（3）分析处理：①查看分析结果;②分析处理评估结果。

4 学生宿舍火灾Pyrosim模拟

4.1 宿舍楼基本情况介绍

本文研究的宿舍楼平面布局呈半“工”字形，男生和女生宿舍在同一栋楼，男生宿舍为“7”字形，为了降低建模难度和简化模型，本文只研究男生宿舍的主楼部分。该宿舍楼主楼部分占地面积约1341m2，每层高3m，共五层，总建筑面积约为6700m2。该宿舍楼每层有两个盥洗室，分别设置在宿舍楼两端，一层设有2间会客室，2间宿舍管理员办公室和30间寝室，二至五层每层有34间寝室。宿舍楼的每个房间住6人，每个房间都有卫生间、阳台和窗户。相同楼层的每个房间由走廊连接，各楼层之间由楼梯相连，每层设有两个楼梯间，分布于楼层两侧。该宿舍楼楼梯材料为混凝土，墙壁材料为石膏，地板材料为瓷砖，均为不可燃材料。宿舍楼在一层有两个出口，假设有自动喷淋和自动排烟装置。

为了简化计算，在宿舍楼建模之前，做如下假设：

（1）建立模型时，不考虑楼梯间楼梯扶手，不考虑走廊的吊顶。

（2）建立房间模型时，房间内部的物品，如床、桌椅、箱子等不考虑具体形状，使用矩形块来代替。

（3）寝室墙壁的材料设置为石膏，不考虑贴墙纸的情况，地板的材料为瓷砖，不考虑铺设地板垫或地板贴的情况。

（4）除了火灾场景的设置要求外，假设宿舍楼所有的门窗为开启状态。

4.2 火灾模拟场景设置

本文主要研究起火房间窗户的开启状态、自动喷淋系统和自动排烟系统对宿舍楼火灾的影响。由于宿舍楼布局是左右对称的，火源位置在左侧宿舍和右侧宿舍的结果是对偶的，为了模拟多种情况，将火源位置设置为不同楼层的走廊或者寝室内。为了模拟自动喷淋系统的影响，根据《建筑防烟排烟系统技术标准》（GB 512512017），在系统有效时设置火灾规模为1.5MW，无效时设置火灾规模为3MW。

根据《建筑防烟排烟系统技术标准》（GB512512017），设置能见度临界值为5m，能见度小于5m则无法安全疏散;设置顶棚温度临界值为60℃，顶棚温度大于60℃，人员无法疏散;设置烟气层高度为临界值1.5m，烟气层高度低于15m，将严重影响人员疏散。